DE2433811C2

DE2433811C2 - Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit unvollständiger Verbrennung

Info

Publication number: DE2433811C2
Application number: DE19742433811
Authority: DE
Inventors: Ivor Gray Zermatt Wallis Nixon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-13
Filing date: 1974-07-13
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE2433811A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit unvollständiger Verbrennung, in dem ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit molekularem Sauerstoff umgesetzt wird unter Bildung eines reduzierend wirkenden gasförmigen Verbrennungsprodukts, wobei ein zusätzliches gasförmiges Mittel in den Brennraum des Brenners eingeführt wird. Das reduzierend wirkende gasförmige Verbrennungsprodukt enthält in der Regel Kohlenmonoxid und Wasserstoff als reduzierende Bestandteile. Es ist vielfach verwendbar, beispielsweise in der Erdölindustrie, bei der Herstellung von Eisen aus Eisenerzen (in Hochöfen oder Gebläseöfen) oder bei der Herstellung von molekularem Wasserstoff, wobei man diesen Bestandteil aus dem reduzierenden Gasgemisch abtrennt.

Beim Betreiben von Brennern mit unvollständiger Verbrennung werden der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und der molekulare Sauerstoff oder Luft in solchen Verhältnissen eingeführt, daß ein reduzierend wirkendes Gasgemisch mit einem hohen Kohlenmonoxid/Was-

55

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65 serstoff-Gehalt entsteht Die dabei auftretenden Reaktionen nähern sich bei einer Flammentemperatur von 1200 bis 1400⁰C einem Gleichgewicht, das für einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff C_nH_n, durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

C„H_m + 1/2η O₂ x=^ «CO + 1/2m H₂

(D

Zur Dämpfung der Verbrennungsreaktioner in Brennern mit unvollständiger Verbrennung wird in der Regel Wasserdampf, vermischt mit Luft und/oder Sauerstoff, in den Brenner eingeführt. Der Wasserdampf kann ebenfalls mit dem Kohlenwasserstoff reagieren unter Bildung reduzierender Gase entsprechend der Gleichung:

C„H_m + η H₂O

(l/2m+/i)H₂ (2)

Ein solcher Brenner mit unvollständiger Verbrennung ist beispielsweise in der US-PS 29 04 417 beschrieben, in dem eine unvollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Gegenwart von molekularem Sauerstoff unter Brennstoff in Gegenwart von molekularem Sauerstoff unter Bildung eines reduzierend wirkenden gasförmigen Verbrennungsprodukts erfolgt Dabei gelangen zwei Gasströme in den Brenner, nämlich ein Sauerstoffatom und ein Strom aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff + Wasserdampf. Die beiden in den Brenner eingeführten Gasströme werden in der Mischkammer einer sehr innigen Vermischung unterworfen, in der die beiden Ströme unter starker Durchwirbeiung aufeinandertreffen. Diese starke Durchmischung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Sauerstoff dient dazu, in dem Brenner mit unvollständiger Verbrennung eine möglichst vollständige Reaktion zwischen den Reaktanten (Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlenwasserstoff-Brennstoff) zu erzielen. Ais Folge dieser innigen Durchmischung entsteht eine kurze heiße Flamme, weiche die feuerfeste Auskleidung der Brennkammer beschädigen kann. In Extremfäilen kann der Brennermantel sogar durchbrennen, so daß ein Brand oder gar eine Explosion auftreten können. Auch ist der Sauerstoffverbrauch derartiger Brenner pro Einheit des gebildeten reduzierenden Gases verhältnismäßig hoch, so daß der Betrieb eines solchen Brenners relativ teuer ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, den aus der US-PS 29 04 417 bekannten Brenner mit unvollständiger Verbrennung dahingehend weiterzuentwickeln, daß er unter geringerem Sauerstoffverbrauch wirtschaftlicher und sicherer betrieben werden kann als der bekannte Brenner mit unvollständiger Verbrennung.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst werden kann, daß als zusätzliches gasförmiges Mittel in den Brennraum des Brenners ein endotherm reagierendes Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Kohlendioxid und/oder Wasserdampf als Kühlgas so in den Brennraum eingeführt wird, daß es die Brennerflamme als koaxialen Mantel umgibt und unter Abkühlung der Brennerflamme reagiert.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen Brenner mit unvollständiger Verbrennung so zu betreiben, daß sein Sauerstoffverbrauch herabgesetzt ist, so daß der Brenner wirtschaftlicher und sicherer betrieben werden kann. Der erfindungsgemäße verwendete, reduzierend wirkende Kühlgas-Mantel dient dazu. Wasserdampf oder Kohlendioxid (beispielsweise

aus Abgasen), die mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff gemischt werden, in zusätzlichen Wasserstoff umzuwandeln gemäß der obengenannten Gleichung (2). Gleichzeitig werden Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in den Abgasen bereits vorhanden sind, in den aus dem Kühlgasstrom gebildeten Reaktionsgasen ebenfalls gewonnen. Der Kühlgas-Mantel schützt nicht nur das Gehäuse des Brennraums des Brenners gegen Überhitzung und damit gegen Beschädigung durch Ausbrennen und Explosion, sondern liefert auch zusätzliche reduzierende Gase. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der erfindungsgemäß eingesetzte Kühlgasmantel eine solche Zusammensetzung hat, daß er in dem Brennraum des Brenners keine Wärme erzeugt, sondern vielmehr eine exotherme Reaktion beim Erhitzen desselben (beispielsweise durch eine Flamme) abläuft, die eine weitere Abkühlung bewirkt, während gleichzeitig zusätzliches reduzierendes Gas für die Reaktion erzeugt wird. Dieser Kühleffekt verhindert ein Durchbrennen der Wand des Brennraums des Brenners, das bei dem bisher bekannten Brennern ein großes Problem war.

Zwar ist aus der DE-AS 12 68 302 ein Brenner bekannt, bei dem ein die Flammengase in einer Brennkammer koaxial umgebender Gasstrom aus sekundärer Verbrennungsluft, der eine Drehbewegung ausführt, vorgesehen ist, dabei handelt es sich jedoch um einen Brenner mit vollständiger Verbrennung der von dem hier beschriebenen Brenner mit unvollständiger Verbrennung grundlegend verschieden ist.

Die Gase, die für den Kühlgasmantel verwendet werden, stören die Endverwendung der reduzierenden Gase nicht, wenn sie mit den Verbrennungsprodukten aus dem Brenner vermischt werden.

Die Kühlgase reagieren und bilden selbst reduzierende Gase und enthalten eine Mischung aus einem Kohlenwasserstoff. Wasserdampf und/oder Kohlendioxid. Kohlendioxid ist besonders als Oxidationsmittel für den Kohlenwasserstoff nützlich, da es mit Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur, die um ungefähr 200° C niedriger ist -ils die, die erforderlich ist, um den entsprechenden Umwandlungsgrad zu erreichen, wenn man Wasserdampf als Oxidationsmittel verwendet, unter Bildung von reduzierenden Gasen reagieren kann. Vorzugsweise ist das Oxidationsmittel Gichtgas, das man aus einem Hochofen oder einer anderen Anlage, die zur Herstellung von Eis,en aus Eisenerzen verwendet wird, erhält. Gichtgas enthält einen hohen Anteil an Kohlendioxid zusammen mit Wasserdampf, und wenn es in einem Brenner mit unvollständiger Verbrennung mit Erdgas umgesetzt wird (das hauptsächlich Methan enthält), findet die autogene Oxidation des Methans, die bei ungefähr 1200 bis 1400° C abläuft, statt nach der Gleichung

CH₄ + CO₂ — 2CO + 2H₂
CH₄ + H₂O-CO + 3H₂

(3) (4)

Ähnliche Reaktionsschemata gelten, wenn andere Kohlenwasserstoffe als Methan verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, daß der Kohlenwasserstoff (oder die Mischung von Kohlenwasserstoffen), der in dem Kühlgasstrom verwendet wird, gleich dem ist, der in der Brennerflamme selbst verwendet wird. Beispielsweise kann der Kohlenwasserstoff, der in der Flamme verbrannt wird, ein schweres Brennöl sein, wohingegen der in dem Kühlgasstrom eine leichte Erdölfraktion sein kann. Ein Kohlenwasserstoff oder eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen, d^:f 1 bis 13 Kohlenstoffatome enthalten, ist iedoch für einen oder beide Ströme bevor

Das Verhältnis von Kohlenwasserstoffkomponente zu Oxidationskomponente, das in dem Kühlgasstroin vorhanden ist, kann grob den stöchiometrischen Verhältnissen bzw. denjenigen die für die Bildung von reduzierenden Gasen erforderlich sind, entsprechen, so daß der Kühlgasstrom vollständig autogen ist bzw. sich so verhält. Es wurde jedoch gefunden, daß es bevorzugt ist, die Zusammensetzung des Kühlgasstroms so einzustellen, daß er mit einem oder mehreren der Bestandteile aus der Brennerflamme selbst reagiert. Beispielsweise kann die Kühlgaszusammensetzung so eingestellt werden, daß sie einen Sauerstoffgehalt besitzt, der höher ist als der, der für die optimale autogene Umsetzung erforderlich ist; die Anteile der Flammenreaktionsteilnehmer können so eingestellt werden, daß sie einen Sauerstoffgehalt besitzen, der niedriger ist als er für den optimalen Betrieb erforderlich ist, so daß beim Mischen der beiden Ströme in dem Brennraum des Brenners diese einander ergänzen u»id ein reduzierend wirkendes Gasprodukt der gewünschten Zusammensetzung ,-rgeben. Alternativ kann der Sauerstoffgehalt des Kühlgas Stroms niedriger sein als er für die optimale Umsetzung erforderlich ist und der der Flammenreaktionsteilnehmer kann entsprechend höher sein. Auf diese Weise erhält man durch die oxid-erenden Gase in dem Kühlgasstrom einen maximalen Nutzen, und es ist möglich, die Menge an Sauerstoff, die in der Brennerflamme verbrannt wird, zu verringern.

Die Einlaßleitung für den Kühlgasstrum in den Brenner hat typischerweise eine ringförmige Form und enthält bevorzugt Flügel bzw. Steuerflächen, die in die Einlaßleitung eingebracht sind, um in dem Kühlgasstrom eine Rotationsbewegung zu induzieren, so daß die Brennerwände von den Kühlgasen umspült werden und die Wände somit einen maximalen Schutz vor Überhitzung erhalten. Der Kühlgassirom wird durch die Brennerflamme erwärmt, und bedingt durch die Turbulenz, wird er schließlich mit den Verbrennungsgasen der Flamme vermischt. Es kann zweckmäßig sein. Einrichtungen vorzusehen, um dieses Vermischen zu verzögern und durch die fCühlgase eine maximale Abschirmwirkung zu erreichen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man zwischen der Kühlgasstromeinlaßöffnung und aer Flamme eine wärmebeständige, ringförmige Ummantelung anbringt, so daß die Ummantelung sich in den Reaktionsraum in dem Brenner in longitudinaler Richtung, bezogen auf die Flamme, erstreckt.

Es ist wünschenswert, daß sich der Kühlgasstrom und die Flammenbestandteile ergänzen und reduzierende Gase der gewünschten Zusammensetzung ergeben; dann kann der Kühlgasstrom in den Brenner koaxi?¹, bezogen auf die Flammengase, durch Öffnungen injiziert werden, die so gebaut sind, daß Turbulenzen entstehen, so daß schließlich ein wirksames Vermischen der Gasströme in dem brennerraum in dem Brenner erfolgt, d. h. nach dem Brenner selbst, wie oben diskutiert wurde.

Durch Regulierung der Anteile und der Temperatur des Kühlgasstroms, bezogen auf die Reaktionsteilnehmer der Flamme, kann die Endtemperatur der gemischten Gase auf den gewünschten Wert für die Reaktion, üblicherweise ungefähr 1200 bis 1400⁰C, eingestellt werden.

Um den Sauersto^rfverbrauch herabzusetzen, können alle oder ein Teil der Bestandteile, die in den Brenner eingeführt werden, vor dem Eintritt in den Brenner erwärmt werden. Für die Vorerwärmung der Bestandteile

kann man irgendwelche geeigneten Vorrichtungen, wie röhrenförmige. Sand- oder Kieselbrennöfen, verwenden. Die Temperatur, auf die diese Bestandteile erwärmt werden sollten, beträgt zweckmäßig über 300⁰C und bevorzugt 700 bis 1200⁰C. Der Kohlenwasserstoff, das Kohlendioxid und/oder der Wasserdampf, werden bevorzugt jeweils vor oder nach dem Mischen auf eine Temperatur von 700 bis 1200°C erwärmt. Es sei bemerkt, daß die Bestandteile des Kühlgasstroms auch noch die Flammenprodukte abkühlen können, selbst wenn sie auf diese obere Temperaturgrenze vorerwärmt wurden. Dies ist möglich, da die Oxidation der Kohlenwasserstoffe bei der Bildung eines reduzierenden Gases wie oben bei den Umsetzungen (3) und (4) stark endotherm verläuft und dies eine »eingebaute« Kühlwirkung für die Gase ergibt.

Es ist zweckmäßig, die Produktgase (die Flammenprodukte, vermischt mit dem Kühlgasstrom) des Brenners mir. unvollständiger Vei bi ciinung über einen gccig neten Katalysator zu leiten, um die Umsetzungen, bei denen die reduzierenden Gase gebildet werden, zu vervollständigen. Die Verwendung eines solchen Katalysators ist bekannt, aber der Katalysator verliert schnell seine Aktivität, bedingt durch die Abscheidung von kohlenstoffhaltigem Material darauf.

Es wurde gefunden, daß diese Schwierigkeit vermindert werden kann, wenn man den Katalysator regeneriert, indem man die Oxidationsgaskomponente des Kühlgasstroms verwendet, bevor diese Komponente in den Brenner eingeführt wird. Zwei oder mehr Katalysatorkammern sind mit den Gasströmen, die zu und von dem Brenner weg führen, verbunden, so daß. wenn eine oder mehr Kammern verwendet werden, um die Vervollständigung der Reaktionen, bei denen die Gase gebildet werden, zu katalysieren (d. h. der Gase, die aus dem Brenner austreten), eine oder mehr andere Kammern gleichzeitig durch die oxidierende Komponente des Kühlgasstroms, der in den Brenner eingeführt wird, regeneriert werden können. Das letztere Verfahren wird beispielsweise angewendet, wenn man Gichtgas (von einer Eisenerzreduktionsanlage, die zweckmäßig auf eine Temperatur über 700" C erwärmt wird) durch die Katalysatorkammer bzw. die Katalysatorkammern auf ihrem Weg in den Brenner leitet. Das kohlehaltige Material in dem verbrauchten Katalysator wird abgebrannt und der regenerierte Katalysator kann dann wiederverwendet werden, während der Strom von Gichtgas gleichzeitig zu einer anderen Kammer, die verbrauchten Katalysator enthält, umgeleitet wird. Dieser cyclische Betrieb wird fortgesetzt, indem man das Umschalten von Kammer zu Kammer wiederholt. Wenn die gesamte oder ein Teil der Kohlenwasserstoffkomponente der Kühlgasströme zusammen mit der oxidierenden Komponente vorliegt, während sie durch die Katalystorkammer bzw. -kammern geleitet wird, kann der Anteil an Oxidationsmittel so eingestellt werden, daß man einen ausreichenden Sauerstoffgehalt erhält, um das kohlenstoffhaltige Material auf dem Katalysator zu oxidieren. Der Katalystor kann auch in erwärmten, rohrförmigen Einheiten anstelle von Katalysatorkammern vorhanden sein.

Ein geeigneter Katalysator kann verwendet werden, um die Bildung von reduzierenden Gasen zu aktivieren; beispielsweise sind Nickelverbindungen besonders geei^net.

Eine bevorzugte erfmdungsgemäße Ausführungsform wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Brenners mit unvollständiger Verbrennung zusammen mit einer schematischen Darstellung eines Brennerbeschickungssystems für die Verwendung in einem Hochofen; und
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie ll-ll des in F i g. 1 gezeigten Brenners.

Gemäß F i g. 1 und 2 weist der Brenner 10 einen Körper 11 mit kreisförmigem Querschnitt und einem zylindrischen Gehäuse 12 auf, welches mit feuerfestem Material ausgekleidet ist, wodurch ein Brennraum 50, der sich horizontal von dem Körper 11 erstreckt, eingehüllt wird. Der Brenner 10 besitzt eine Abnahmeleitung 51 für die teilweise verbrannten Gase (wie schematisch dargestellt), die mit dem Brennergehäuse 12 am Ende des Gehäuses, welches von dem Brennerkörper 11 entfernt ist, verbunden ist. Eine zylindrische, wärmebeständige Ummantelung 13 ist an dem Körper 11 angebracht und liegt innerhalb des Gehäuses 12. so daß ein kreisförmiger Raum 22 zwischen d?r 1 Immantelung 13 und dem Gehäuse 12 gebildet wird.

Der Brennerkörper 11 umfaßt einen Hals 14, der innerhalb der Ummantelung 13 hervortritt. Eine Saucrstoffeinlaßöffnung 15 läuft diametral durch eine Wand des Brennerkörpers 11 und verbindet mit einem Mantel 16 innerhalb des Körpers 11. Sauerstofföffnungen 17 sind in Intervallen um den Umkreis des Mantels 16 angebracht und tangential auf die Oberfläche des Mantels 16 gerietet. Eine Brennstoffeinlaßöffnung 18, verbunden mit einem Brennstoffjet 19, ist zentral innerhalb des Körpers 11 angeordnet.

Eine kreisförmige Leitung 20 i'ingibt den Körper 11. Düsen 21 sind um die Leitung 20 ungeordnet und in den kreisförmigen Raum 22 zwischen der Ummantelung 13 und dem Gehäuse 12 gerichtet.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 wird das Brennerversorgungssystem 23. das verschiedene Untersysteme enthält, die jeweils beschrieben werden, näher erläutert.

Ein Brennstofföllagerungstank (nicht gezeigt) ist über die Rohrleitung 24 mit einem Ölerhitzer 25 verbunden.

Der Ölerhitzer 25 ist seinerseits über die Rohrleitung 26 mit dem Brennstoffeinlaß 18 des Brenners verbunden.

Eine Rohrleitung 27 für Sauerstoff verbindet einen nicht gezeigten Sauerstoffvorrat mit dem Sauerstofferhitzer 28. Eine weitere Rohrleitung 29 verbindet den Sauerstofferhitzer 28 mit der Sauerstoffeinlaßöffnung J5des Brenners.

Eine Erdgas-Rohrleitung 30 verbindet mit einem Erhitzer 31 für Erdgas, der seinerseits über die Rohrleitung 32 und ein Ventil 33 mit einer Leitung bzw. einer Verzweigung 34 verbunden ist. Die Verzweigung 34 ist über die Rohrleitung 35 mit der kreisförmigen L.itung 20 verbunden, die den Brennerkörper 11 umgibt.

Ein Kompressor oder ein Gebläse 37 besitzt einen Einlaß 36 für Gichtgas aus dem Hochofen. Der Auslaß von dem Gebläse 37 ist mit einem Erhitzer 38 für das Gichtgas verbunden und der Auslaß des Erhitzers 38 ist mit der Rohrleitung 39 verbunden. Die Rohrleitung 39 ist an dem einen Ende mit der Rohrleitung 32 über das Ventil 40 und am anderen Ende mit den Rohrleitungen 41 und 42 verbunden. Die Rohrleitung 41 verläuft über ein Ventil 43 zu einer ersten Katalystorkammer 44, während die Rohrleitung 42 durch das Ventil 45 zu einer zweiten Katalystorkammer 46 verläuft. Die erste und die zweite Katalysatorkammer 44 und 46 sind an ihren Auslaßöffnungen über Ventile 47 und 48 verbunden, so daß jede Katalysatorkammer mit der Auslaßrohrleilung 49, die zu der Verzweigung 34 führt, verbunden werden kann.

Die Auslaßleitung 51 für das Produktgas aus dem Brenner 10 ist mit den Rohrleitungen 52 und 53 verbunden. Die Rohrleitung 53 enthält ein Ventil 54 und führt zu einem (nicht gezeigten) Hochofen. Die Rohrleitung 52 verzweigt sich in zwei weitere Rohrleitungen 55 und 56, die /u der ersten und zweiten Katalysatorkammer 44 bzw. 46 führen. Jede Leitung 55 und 56 besitzt ein Ventil 57 bzw. 58. Die Katalysatorkammern 44 und 46 besitzen Auslaßrchrleitungen 59 bzw. 60 für teilweise verbranntes Gas, die sich treffen und eine gemeinsame Rohrleitung 61 zu dem Hochofen bilden. Rohrleitungen 59 und 60 enthalten Ventile 62 bzw. 63.

Der Betrieb des Brenners 10 und des Beschickungssystems 23 wird nun im einzelnen näher erläutert.

Die Ventile 33, 43, 47, 58 und 63 liegen in offenem Zustand und die Ventile 40,45,48,54,57 und 62 liegen in geschlossenem Zustand vor.

Brennöl wird in dem ölerhitzer 25 erwärmt und längs der Rohrleitung 26 zu der Brennstoffeinlaßöffnung 18 für den Brenner geleitet, wo es aus dem Brennstoffjet 19 als feines Spray austritt. Sauerstoff wird in den Sauerstofferhitzer 28 über die Rohrleitung 27 eingeführt und der erwärmte Sauerstoff wird in den Brennersauerstoffeinlaß 15 über die Rohrleitung 29 eingeführt. Der erwärmte Sauerstoff betritt den Mantel 16 und tritt über die öffnungen 17 aus, um sich mit dem Spray aus Brennstofföl von dem Brennstoffjet 19 zu vermischen. Diese Mischung wird entzündet und reagiert innerhalb des Brennraums 50. Der Sauerstoff, der die Öffnungen 17 verläßt, erlangt eine Rotationsbewegungskomponente, verstf-kt durch die Form und Größe des Brennhalses 14, was ein turbulentes und inniges Vermischen mit dem Brennstoffölspray zu einem frühen Zeitpunkt und somit einen kurzen Flammenkegel an dem Brennerhals 14 ergibt.

Zur gleichen Zeit wird Erdgas längs der Rohrleitung 30 in den Erhitzer 31 eingeleitet und somit längs der Rohrleitung 32 zu der Verzweigung 34. Ferner wird Gichtgas aus dem Hochofen in das Gebläse 37 über die Rohrleitung 36 eingeführt und durch den Erhitzer 38 gezwungen, bevor es über die Rohrleitungen 39 und 41 in die erste Katalysatorkammer 44 geleitet wird. Die Katalysatorkammer 44 enthält zu diesem Zeitpunkt verbrauchten Katalysator, d. h. Katalysator, der mit kohlehaltigem Material beschichtet ist. Das kohlehaltige Material wird von dem Katalysator durch die Oxydationsmittel in dem heißen Gichtgas aus dem Hochofen abgebrannt und der Katalysator wird so regeneriert. Das Gichtgas strömt dann aus der Katalysatorkammer 44 über das Ventil 47 und über die Rohrleitung 49 zu der Verzweigung 34. Hier wird das erwärmte Gichtgas mit erwärmtem Erdgas vermischt und längs der Rohrleitung 35 in die kreisförmige Leitung 20, die den Brennerkörper 11 umgibt, geführt. Die gemischten Gase, die merklich kühler sind als die Verbrennungsgase, die in dem Brennraum 50 gebildet wurden, gelangen in den kreisförmigen Raum 22 zwischen der Ummantelung 13 und dem Gehäuse 12 über die Düsen 21. Die Düsen 21 sind in einem kleinen Winkel, bezogen auf die Richtung der Brennerachse, angebracht, so daß die Kühlgase das Brennergehäuse 12 mit einer Rotationsbewegung überstreichen. Diese Kühlgase bilden einen Mantel, der die Innenwände des Gehäuses 12 vor den sehr heißen Verbrennungsgasen über eine Entfernung schützt, die größer ist als der Verlauf der Ummantelung 13. Jedoch vermischen sich die Kühigase und die Verbrennungsgase schließlich und reagieren und bilden ein Produktgas, welches chemisch reduzierende Eigenschaften aufweist.

Dieses Produktgas verläßt den Brenner über die Abnahmeleitung 51.

Um die chemisch reduzierenden Eigenschaften des Produktgases aus dem Reaktionsraum 50 des Brenners

■> 10 zu verstärken, wird das Gas über eine Nickelverbindung geleitet, die als Katalysator bei der Umwandlung von Bestandteilen in dem abgenommenen Gas zu chemisch reduzierenden Gasen wirkt. Nach dem Verlassen des Brenners über die Abnahmeleitung 51 wird das Produktgas über Rohrleitungen 52 und 56 durch ein Ventil 58 in eine zweite Katalysatorkammer 46 geleitet. Das reduzierende Gas verläßt die Katalysatorkamnier 46 durch die Auslaßrohrlcitung 60, geht durch das Ventil 63 hindurch und wird über die Rohrleitung 61 in den Hochofen zurückgeführt, wo es verwendet wird, um Eisenerz zu Eisen zu reduzieren.

Wenn der Katalysator in der zweiten Katalysatorkammer 46 verbraucht oder mit kohlenstoffhaltigem Material überzogen wird, wird er regeneriert, indem man Gichtgas über ihn leitet. Beim normalen Betrieb werden daher die Katalysatorkammern 44 und 46 zu vorbestimmten Intervallen ausgetauscht, so daß jede Kammer in dem Produktgasstrom während einer Zeit verbleibt, die durch die Aktivität des Katalysators bestimmt wird. Die Katalysatorkammern 44 und 46 werden durch ein zeitreguliertes, automatisches Servosystem umgeschaltet, welches die erforderlichen Ventile öffnet und schließt. Beim Ändern des oben beschriebenen Zustandes werden die Ventile 43, 47, 58 und 63 geschlossen und gleichzeitig werden die Ventile 45, 48, 57 und 62 geöffnet. Nun folgen die Produktgase aus der Rohrleitung 52 der Rohrleitung 55 über das Ventil 57 und treten in die erste Katalysatorkammer 44 ein; dann strömen sie zu dem Hochofen über die Abnahmerohrleitungen 59 und 61. Das erwärmte Gichtgas wird nun längs der Rohrleitung 42 in die zweite Katalysatorkammer 46 und in die Rohrleitung 49 geleitet und zu der Verzweigung 34 geführt.
Wenn eine katalytische Umwandlung der Produktgase richtig erforderlich ist, können die Katalysatorkammern 44 und 46 übergangen werden. Dies erfolgt, indem man das Ventil 54 öffnet und die Ventile 57 und 58 schließt, so daß die Produktgase direkt über die Leitung 53 in den Hochofen strömen können. Zur gleichen Zeit wird das Ventil 40 geöffnet und die Ventile 43 und 45 werden geschlossen, so daß das heiße Gichtgas direkt zu der Brennerverzweigung 34 zusammen mit dem erwärmten Erdgas geleitet wird.
Wenn ein nennenswertes Vermischen der Kühlgase und der Verbrennungsgase erwünscht ist, kann die Brennerummantelung 13 durch eine kürzere Ummantelung ersetzt werden, wie es durch die gestrichelte Linie in F i g. 1 dargestellt ist. Das ermöglicht, daß die Kühlgase mit den turbulenten Verbrennungsgasen zu einem früheren Zeitpunkt sich zu vermischen beginnen. Die Düsen 21 können gegenüber der Brennerachse etwas geneigt sein, um dieses frühe Vermischen zu unterstützen.

Bekannte Brenner mit unvollständiger Verbrennung können für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung modifiziert werden, indem man sie mit Einrichtungen versieht, um einen koaxialen Mantel aus Kühlgasen um die Reaktionsteilnehmer in dem Brenner herum vorzusehen, und indem man sie bevorzugt mit einer Ummantelung ausrüstet, um einen koaxialen Raum zwischen dem Brennergehäuse und der Ummantelung zu definieren, wobei die Kühlgase in diesen Raum eingeführt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners mit unvollständiger Verbrennung, in dem ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit molekularem Sauerstoff umgesetzt wird unter Bildung eines reduzierend wirkenden gasförmigen Verbrennungsprodukts, wobei ein zusätzliches gasförmiges Mittel in den Brennraum des Brenners eingeführt wird, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß das Mittel ein endotherm reagierendes Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Kohlendioxid und/oder Wasserdampf ist, das als Kühlgas in den Brennraum so eingeführt wird, daß es die Brennerflamme als koaxialen Mantel umgibt υ und unter Abkühlung der Brennerflamme reagiert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des gasförmigen Verbrennungsprodukts auf 1200 bis 1400° C eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches gasförmiges Mittel Gichtgas aus einem Hochofen oder einer anderen Anlage für die Reduktion von Eisenerz verwendet wird

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenwasserstoff mit 1 bis 13 Kohlenstoffatomen verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Erdgas verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daC der koaxiale Kühlgas-Mantel eine Rotationsbewegung besitzt.

7. Verfahren nach einem de Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff auf eine Temperatur über 300°C erwärmt wird, bevor er mit dem Kohlendioxid und/oder Wasserdampf gemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff, das Kohlendioxid und/oder der Wasserdampf jeweils vor oder nach dem Mischen auf eine Temperatur von 700 bis 1200⁰C erwärmt werden.

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